Förbättra mjukrobotik med ‘Inkarnerad energi’ öppnar nya möjligheter

Robotik är en snabbt växande marknad, prognostiseras att expandera från $94.54 miljard år 2024 till att överstiga $372.59 miljard år 2034. 

Industriella robotar leder för närvarande denna tillväxt. Idag arbetar mer än 3.4 miljoner industrirobotar för att göra våra liv enklare. Industriföretag planerar också att investera 25 % av sitt kapital i industriell automation under de kommande fem åren.

Allteftersom robotik fortsätter att få fäste samlar en delområde inom robotik också forskarnas uppmärksamhet. När efterfrågan på robotar ökar i tillämpningar bortom industriell automation växer intresset för delområdet mjukrobotik.

Dessa robotar efterliknar rörelsesättet hos mjuka och flexibla kroppar i naturen, såsom ormar, daggmaskar, ålar, bläckfiskar och andra.

Mjukrobotik tar inspiration från de biologiska strukturerna hos dessa mjuka kroppar för deras jämna och komplexa rörelse. Istället för att använda hårda, metalliska komponenter som traditionella robotar, tillverkas mjukrobotar vanligtvis av formbara material som gel och gummi. Det gör att de kan anpassa sig till komplexa miljöer och interagera med människor på ett säkert sätt.

För deras aktivering används ett antal olika metoder, såsom värmestimulans, elektriska signaler och lufttrycksättning, bland annat. Källorna till deras aktivering finns vanligtvis utanför robotens kropp och styr deras rörelser.

Dessa robotar erbjuder fördelarna med anpassningsförmåga och förbättrad säkerhet. Användningen av flexibla och lätta material gör särskilt dessa maskiner lämpliga för direkt mänsklig interaktion eftersom det minskar risken för skador. Det gör dem mycket fördelaktiga i tillämpningar såsom sjukvård och bärbar teknik.

Att ha flexibla leder och mjuka gripare gör att dessa robotar kan böja, vrida och sträcka sig enkelt. Förmågan att utföra biologiska rörelser gör dem användbara i uppgifter som kanske inte är säkra för människor eller som kräver hög kontrollgrad. Deras strukturella flexibilitet och fingerfärdighet gör dem också lämpliga för att hantera ömtåliga föremål och utföra andra känsliga uppgifter.

Men naturligtvis möter mjukrobotar också utmaningar såsom begränsad styrka, låg precision, låg hållbarhet, svårigheter i tillverkning och skalning, samt behovet av avancerade algoritmer och omfattande sensingsystem.

Dock, med tanke på att mjukrobotarnas kapacitet nära motsvarar mjuka biologiska organismer, är de en lovande teknik inom en rad områden såsom sjukvård, jordbruk, räddningsinsatser och rymdforskning.

Flera lovande mjukrobotar har redan utvecklats. Till exempel Harvards tentaklerobot, vars manetliknande mjuka gripare kan försiktigt greppa ömtåliga föremål genom att efterlikna mekaniken hos lockigt hår.

Inom sjukvården har K-FLEX från Korea Advanced Institute of Science and Technology förmågan att utföra ärrfri endoskopisk kirurgi, och MIT:s bioniska hjärta kan hjälpa medicinska yrkesverksamma att studera hjärt-kärlsjukdomar och bestämma den bästa behandlingsvägen för patienter.

Mjukrobotar används också för att utforska haven. För några år sedan presenterade kinesiska forskare en självförsörjande mjukrobot som kan nå den djupaste punkten — Marianergraven. När det gäller rymdutnyttjande kan NASA-sponsrade grävande mjukrobotar navigera i sandig terräng och kan en dag skickas för att utforska Jupiters månar.

Allteftersom forskningen kring mjukrobotar avancerar kan de förväntas ersätta stela robotar i olika tillämpningar. 

Utvecklingen av mjukrobotarter

En ny studie från Cornell Engineering har presenterat en obunden markbaserad krypande robot med ett integrerat modulärt kraftsystem genom hela dess mjuka kropp. 

Innan de skapade denna maskrobot byggde laboratoriet en manetrobot i samarbete med Archer Group vid Cornell Engineering. Båda är direkta ättlingar till en vattenbaserad mjukrobot som presenterades för sex år sedan. 

Så, år 2019 presenterade forskare vid Cornell University ett papper¹ med titeln ”Electrolytic vascular systems for energy-dense robots.” Systemet, som efterliknade redoxflödesbatterier, kombinerade funktionerna för hydraulisk kraftöverföring, aktivering och energilagring i en design som ökade robotens energitäthet så att den kunde fungera i upp till 36 timmar. 

För detta tog forskarna inspiration från en lejonfisk, som använder svallande, fanliknande fenor för att glida genom korallrevsmiljöer.

Vid den tiden noterade forskarna att ”denna användning av elektrolytisk energilagrning i hydrauliska vätskor kan möjliggöra ökad energitäthet, autonomi, effektivitet och multifunktionalitet i framtida robotdesigner.”

För några månader sedan publicerades ett nytt papper², ”The multifunctional use of an aqueous battery for a high capacity jellyfish robot,”. Den här gången formades en RFB till en manetform, vilket ger en multifunktionell energianvändning. 

Maneter består mestadels av ett ämne som kallas ”mesoglea”, vilket fungerar som ett internt skelett. Detta material gör manetens kropp elastisk och hjälper den att återfå sin form efter deformation på grund av muskelkontraktion. Mesoglean består av mikrofibriller som innehåller fibrillin, vilka maneten använder för att driva sina muskler samt för att möjliggöra rörelse och föda.

Robotens kraft kom uteslutande från RFB:er med ökad volymetrisk och areal energitäthet, vilket resulterade i en lång drifttid för UUV:er som huvudsakligen består av vätska, vilken är elektrokemiskt energität.

Nu har forskningen³ utvecklats ytterligare, på liknande sätt som markliv har gjort, drivet av batteriutveckling och design.

”Detta är hur livet på land utvecklades. Man börjar med fisken, sedan får man en enkel organism som stöds av marken. Masken är en enkel organism, men den har fler frihetsgrader.”

Samma ”robotblod”, dvs. den hydrauliska vätskan som lagrade energi och drev tidigare robotars tillämpningar, upprätthåller även den nya robotarten. Den här gången har forskarna dock ytterligare förbättrat designen för att uppnå större batterikapacitet och effekttäthet.

Shepherd noterade att maneten har mycket mer kapacitet i förhållande till sin vikt. Detta ökade den tid som robotfisken kunde färdas, vilket var längre än den faktiska fisken. Nu är deras första version ovan jord masken, som får flytande stöd under vatten och inte behöver ett skelett, vilket innebär att den inte behöver vara stel.

Klicka här för att lära dig om keramik är nyckeln till att bredda sinnena i mjukrobotik.

Inkarnerad energi driver mjukrobotar

Allteftersom efterfrågan på ökad rörlighet i robotik växer, kommer även deras komplexitet att öka. Detta innebär en ökning i tätheten av sensorer och frihetsgrader (DoF), vilket är ett objekts oberoende rörelse.

Som ett resultat kommer robotarnas energiförbrukning sannolikt också att öka, vilket gör energikapacitet till en viktig faktor att beakta.

Det är här inkarnerad energi kommer in i bilden. Det är en designstrategi som förbättrar systemnivån för energitäthet genom multifunktionell användning av inbäddade kraftkällor. Detta tillvägagångssätt inkluderar i princip kraftkällor i maskinens kropp, vilket minskar dess kostnad och vikt.

Den modellära maskroboten som byggts av Organic Robotics Lab och deras manet demonstrerar båda fördelarna med denna ”inkarnerade energi”. 

Genom att inkorporera den energi som lagras i batterier i en integrerad del av robotens struktur och maskineri har forskarna kunnat uppnå bättre resultat. Studien noterade:

”Att inkorporera en kraftkälla i motorstyrda senoraktuatormoduler ger en artificiell muskelenhet som kan komponeras in i robotar som är kapabla till långvarigt, användbart arbete.”

Båda robotarna har en redoxflödesbatteri (RFB), en typ av elektrokemiskt system som lagrar energi från två kemiska komponenter lösta i vätska. 

I fallet med den manetformade roboten byggdes RFB:n med en sena. När senan dras förändras klockans form och skjuter organismen uppåt, för att sedan sjunka tillbaka när klockan slappnar av. 

Viktigare är att manetroboten har ett par redoxbatterier: zinkjodid (ZnI2) och zinkbromid (ZnBr2). Brom tillsattes till joden i en av batterierna för att förbättra jontransporten, vilket ökade batterikapaciteten och effekttätheten. Som ett resultat var manetroboten snabbare och mer rörlig, med en drifttid på cirka 90 minuter.

Nu, för att undvika problemet med dendrituppbyggnad på batteriernas elektriska substrat, vilket hindrar laddning och urladdning, använde forskarna grafen. Genom att applicera grafen kunde de bättre matcha kristallplanen och få en jämnare plätering av zink. 

Maskroboten har en compartmentaliserad design. Maskens kropp består av en serie sammankopplade kapslar, där varje kapsel innehåller en motor och en senaktuator för att möjliggöra att masken kan komprimera och expandera sin form. Varje kapsel innehåller också en hög av anolyttpåsar nedsänkta i en katolytt.

Ett väsentligt element i designen var att använda en torr-adhesionsmetod för att automatiskt binda Nafion-separatorer till maskens silikon-uretankopolymerkropp. Separatorn håller anolyterna och katolyterna åtskilda samtidigt som den tillåter laddning att röra sig mellan dem, vilket driver elektroner genom motorn.

”Det finns många robotar som drivs hydrauliskt, och vi är de första som använder hydraulisk vätska som batteri, vilket minskar robotens totala vikt, eftersom batteriet har två funktioner: att förse systemet med energi och att ge kraft för att få den att röra sig. Så kan du ha saker som en mask, där nästan all energi, så den kan färdas långa sträckor.”

– Shepherd

Vid testning av maskroboten fann forskarna att den kan krypa längs marken samt röra sig upp och ner i ett vertikalt rör. Medan maskroboten kan navigera en sluten, kurvig bana och klättra upp och ner, är den ganska långsam, men ändå snabbare än andra hydrauliskt drivna maskrobotar. På en enda laddning tar masken 35 timmar att färdas 105 meter.

Masken, enligt forskarna, kan hitta sin tillämpning i utforskning av begränsade miljöer såsom långa och smala passager och eventuellt utföra reparationer. När det gäller maneten kan den användas för havsexpeditioner. 

Stödd av Office of Naval Research och Basic Energy Sciences Program från Department of Energy är denna forskning bara början, då deras framtida arbete kommer att fokusera på en helt flytande RFB. Studien noterade att polysulfid-jodidbatteriet, med sin höga energitäthet och låga kostnad, i synnerhet visar löfte för mjukrobotikens tillämpningar.

I slutändan siktar teamet på att bygga högkapacitetsrobotar med inkarnerad energi. Dessa framtida robotar kommer också att ha skelett och kan till och med gå, vilket resulterar i robotar som liknar människor.

”En ofullständig organism. Men ändå ganska framgångsrik.”

– Shepherd

Relevanta företag

Låt oss nu titta på ett par börsnoterade företag som hjälper till att driva fram robotikområdet. 

1. iRobot Corporation

Ett globalt konsumentrobotföretag, iRobot är involverat i design, konstruktion och försäljning av hållbara robotar. Dess produkter inkluderar Roomba, Braava och Root. iRobot har sålt tiotals miljoner av sina robotar världen över.

Med ett börsvärde på $231 miljoner handlas iRobot-aktier för närvarande till $7,59, ned 2,45 % YTD. Dess EPS (TTM) är -4,60, medan dess P/E (TTM)-kvot är -1,64.

Senast rapporterade företaget preliminära finansiella resultat för fjärde kvartalet 2024, enligt vilka de förväntar sig en omsättning på $171 miljoner och en GAAP driftsförlust på $59 miljoner. De förväntar sig också att deras kontanter och likvida medel vid slutet av räkenskapsåret 2024 ska vara omkring $134 miljoner.

Resultaten, sade VD Gary Cohen, ”återspeglar högre än förväntade säsongsbetonade kampanjutgifter för att stimulera försäljning inför våra nya produktlanseringar 2025.” Han delade också att iRobot har ”fundamentalt förändrat hur vi innoverar, utvecklar och bygger våra robotar,” och att de planerade produktlanseringarna ”som är utformade för att entusiasmera konsumenterna med funktionsrika robotar och förbättra konsumentupplevelsen” är på väg att släppas i år.

2. Teradyne

En global leverantör av automatiserad testutrustning och robotiklösningar, Teradyne verkar genom fyra segment vars fokus är halvledare, trådlösa produkter, system för lagring, rymd och kretskort, samt robotik, som omfattar robotarmar, autonoma mobila robotar och avancerad robotstyrningsprogramvara.

Företaget har installerat mer än 80 000 avancerade robotsystem världen över och har investerat över $700 miljoner i avancerad robotik och automation. Teradynes MiR-robotar effektiviserar intern transport och materialhantering, medan deras cobotar stödjer ett brett spektrum av tillämpningar. Deras automationslösningar gör det möjligt för företag att förbättra sin operativa effektivitet genom att integrera maskinernas kraft.

Med ett börsvärde på $18,74 miljarder handlas Teradyne-aktier för närvarande till $116, ned 8,61 % YTD. Dess EPS (TTM) är 3,32, medan dess P/E (TTM)-kvot är 34,68. Företaget betalar en utdelningsavkastning på 0,42 %.

För Q4 2024 rapporterade företaget en omsättning på $753 miljoner, varav $98 miljoner kom från robotik medan resten kom från halvledarsegmentet. Dess GAAP nettoresultat för kvartalet uppgick till $146,3 miljoner eller $0,90 per utspädd aktie.

VD Greg Smith tillskrev denna tillväxt till stark AI-beräkning och relaterat minne medan Mobile och Auto/Industrial överträffade förväntningarna. En intäktsacceleration förväntas i år, med Teradyne planerar att strategiskt omstrukturera sin robotikverksamhet för att förbättra kundupplevelsen och driva operativ effektivitet.

3. Zimmer Biomet

Ett globalt medicinteknikföretag, Zimmer Biomet (ZBH ) är verksamt inom biologika, idrottsmedicin, extremiteter, trauma-produkter, kirurgiska produkter och en svit av robotteknologier som använder data, dataanalys och AI. 

Med ett börsvärde på $22 miljarder handlas Zimmer Biomet-aktier för närvarande till $110,10, upp 4,72 % YTD. Dess EPS (TTM) är 5,25, medan dess P/E (TTM)-kvot är 21,07. Företaget betalar en utdelningsavkastning på 0,87 %.

För Q3 2024 rapporterade företaget nettoförsäljning på $1,824 miljarder, en ökning med 4 % jämfört med föregående år, medan nettoresultatet uppgick till $249,1 miljoner. Utspädd vinst per aktie för kvartalet var $1,23, medan justerad utspädd vinst per aktie var $1,74. Efter denna ”starka prestation” sade VD Ivan Tornos att de kommer fortsätta driva sin ”mission att hjälpa miljontals människor lindra smärta och förbättra deras livskvalitet.” 

Under denna period förvärvade företaget OrthoGrid Systems, ett medicinteknikföretag fokuserat på AI-drivna kirurgiska guidningssystem för total höftbyte. Det är nu också på väg att förvärva Paragon 28 , ett medicintekniskt företag, i en affär på $1,1 miljarder för behandling av fot- och fotledssjukdomar.

Slutsats

Med ökande efterfrågan på automation och effektivitet ökar även robotikens popularitet. Mot denna starka tillväxtbakgrund ser delområdet mjukrobotik mycket innovation, vilket öppnar nya tillämpningar inom sjukvård, utforskning och industriell automation. 

Utvecklingen av mjukrobotik—som kombinerar anpassningsförmåga inspirerad av levande organismer med inkarnerad energi—bär potentialen att äntligen övervinna de långvariga begränsningarna i hållbarhet och energieffektivitet. När forskare, stödda av statliga initiativ, fortsätter att förfina robotdesign och multifunktionella kraftkällor, blir dessa maskiner stadigt en verklighet, vilket förbättrar tillgänglighet, effektivitet och säkerhet.

Klicka här för att lära dig hur mjukrobotik kommer att dra nytta av skumfluidik.